Конденсационный режим работы парогенератора ВВЭР при аварийных ситуациях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.03, кандидат технических наук Калякин, Дмитрий Сергеевич

• Калякин, Дмитрий Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Калякин, Дмитрий Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ.

1 ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ПАССИВНЫХ СИСТЕМ БЕЗОПАСНОСТИ «АЭС-2006».

1.1 Гидроаккумуляторы первой ступени.

1.2 Гидроёмкости второй ступени.

1.3 Система пассивного отвода тепла.

1.4 Конденсационный режим работы парогенератора.

1.4.1 Конденсация.

1.4.2 Кипение.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1.

2 АНАЛИЗ РАБОТ В ОБЛАСТИ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ КОНДЕНСАЦИИ

В ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ТРУБАХ.

2.1 Экспериментальная установка Японского исследовательского института ДЖАЕРИ (1АЕШ).

2.2 Экспериментальная установка университета Пердью (США).

2.3 Экспериментальная установка Н01Ш8 (Германия).

2.4 Экспериментальная установка Лондонского Университета (Англия).

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2.

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТОВ

3.1 Технические характеристики стенда ГЕ2М-ПГ.

3.2 Вспомогательные системы стенда.

3.2.1 Система поддержания давления.

3.2.2 Система сбора конденсата.

3.2.3 Система подачи неконденсирующихся газов.

3.2.4 Система сдувки парогазовой смеси.

3.3 Измерительные приборы и система сбора и обработки данных.

3.4 Оценка точности измерений.

3.5 Граничные и начальные условия.

3.6 Методика проведения экспериментов.

3.6.1 Эксперименты первого этапа.

3.6.2 Эксперименты второго этапа.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3.

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОНДЕНСАЦИОННОГО РЕЖИМА РАБОТЫ ПАРОГЕНЕРАТОРА ВВЭР НА СТЕНДЕ ГЕ2М-ПГ.

4.1 Определение тепловых потерь.

4.2 Эксперименты первого этапа.

4.2.1 Эксперименты на чистом паре.

4.2.2 Эксперименты с подачей неконденсирующихся газов.

4.2.3 Эксперименты с отводом парогазовой смеси.

4.3. Эксперименты второго этапа.

4.3.1 Суточные эксперименты.

4.3.2 Трёхсуточные эксперименты.

4.3.3 Обобщение результатов экспериментов.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4.

5 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ДЛЯ ВЕРИФИКАЦИИ РАСЧЕТНЫХ КОДОВ.

5.1 Расчётный код Течь-М.

5.2 Расчётный код Корсар/ГП.

5.3 Результаты расчётного моделирования.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Конденсационный режим работы парогенератора ВВЭР при аварийных ситуациях»

XX - XXI века - период высокого темпа роста промышленности, строительства и потребления энергии во всём мире. Население планеты стремительно растёт, а, значит, растёт и потребность в энергетических ресурсах.

Основными источниками энергии, на данный момент, являются уголь и углеводороды: нефть и газ. Главные их недостатки — исчерпаемость и невозобновляе-мость. Соответственно, перед человечеством стоит весьма сложная и актуальная задача - поиск новых источников энергии.

Наиболее перспективной, в этом плане, является ядерная энергия. Топливом для получения этого вида энергии является уран, который присутствует на планете в достаточном количестве - по разным оценкам его хватит на многие сотни лет.

Одним из первых на уран, как на новый источник энергии обратил внимание академик В.И. Вернадский. В 1914 году он написал об уране: источник огромной энергии в миллион раз превышает все источники сил, какие рисовались человеческому воображению. Сумеет ли человек воспользоваться этой силой, направить ее на добро, а не на самоуничтожение?».

Однако ядерная энергетика до сих пор является предметом острых споров. Противники ее развития ставят под сомнение безопасность и экологичность подобного способа получения энергии.

Необходимо отметить, что в истории были трагические случаи аварий на атомных станциях, последствия которых не удается ликвидировать до сих пор. Последней такой катастрофой была авария в Японии на АЭС «Фукусима - 1» (11 марта 2011 г.), которая была оценена экспертами по 7-му, максимальному, уровню международной шкалы ядерных событий (INES).

Проблема безопасной эксплуатации атомных станций вызывает большую озабоченность у мировой общественности, что приводит к сворачиванию программ, направленных на развитие ядерной энергетики и строительство новых энергоблоков. Так, например, в Германии был принят закон о прекращении функционирования всех АЭС страны к 2022 году.

Единственным компромиссным решением может стать обеспечение более высокого уровня безопасности новых строящихся энергоблоков и постепенный вывод из эксплуатации менее надежных реакторов старого типа.

В повышении вероятности неблагоприятного развития сценария аварии на АЭС играет большую роль человеческий фактор. Анализ инцидентов на атомных станциях показал, что вмешательство эксплуатационного персонала в работу систем безопасности может привести к негативным, непоправимым последствиям. Поэтому основной концепцией развития ядерной энергетики является разработка, обоснование и внедрение пассивных систем безопасности (ПСБ), которые не требуют для своей работы участия оператора и не зависят от источников энергоснабжения.

Предприятиями государственной корпорации «Росатом» был разработан проект атомной станции с улучшенными технико-технологическими показателями, получивший название «АЭС-2006». Целью создания данного проекта является достижение современных показателей безопасности и надежности при оптимизированных материальных затратах на сооружение станции. Предусмотрена защита АЭС от землетрясения, цунами, урагана, и даже падения самолета.

Примерами усовершенствований являются двойная защитная оболочка реакторного зала (контейнмент) и «ловушка» расплава активной зоны, расположенная под корпусом реактора. Также в проекте «АЭС-2006» с реактором ВВЭР-1200 предусмотрено использование пассивных систем безопасности. К их числу относятся система гидроёмкостей второй ступени (система ГЕ-2) и система пассивного отвода тепла (СПОТ). В случае аварии, связанной с разрывом одной из четырех петель трубопроводов первого контура и потерей всех источников электропитания (включая дизель-генераторы), предусмотрено обеспечение отвода остаточного тепловыделения от активной зоны с помощью этих систем.

Система СПОТ должна обеспечить перевод парогенераторов в режим конденсации пара, тем самым гарантируя подпитку первого контура. Работа парогенератора ВВЭР в нештатном конденсационном режиме требует проведения экспериментального обоснования. Для этого в ГНЦ РФ-ФЭИ был сооружён крупномасштабный тепло-гидравлический стенд ГЕ2М-ПГ. На нём было проведено два этапа исследований, состоящих из нескольких серий экспериментов, по изучению работы модели парогенератора (ПГ) в режиме конденсации пара, в результате которых были получены данные для верификации существующих расчётных кодов, моделирующих процессы отвода тепла в реакторе в случае запроектной аварии (ЗПА).

Таким образом, целью работы являлось обоснование работоспособности парогенератора реактора ВВЭР в нештатном конденсационном режиме путем проведения экспериментальных исследований.

Актуальность поставленных и решаемых в процессе исследования задач следует из необходимости повышения безопасности АЭС с реактором ВВЭР, что достигается широким использованием систем безопасности, функционирование которых основано на пассивных принципах.

Новизна и практическая значимость диссертационной работы заключается в следующем:

- впервые на крупномасштабной модели изучены особенности конденсационного режима работы парогенератора ВВЭР, а также в ходе экспериментов были получены данные для верификации расчётных теплогидравлических кодов ТЕЧЬ-М и КОРСАР/ГП;

- впервые экспериментально установлено, что совместная работа пассивных систем ГЕ-2 и СПОТ позволяет обеспечить работу парогенератора в режиме конденсации пара при подаче в трубный пучок многокомпонентной парогазовой смеси.

Результаты экспериментов были использованы для верификации расчётных кодов ТЕЧЬ-М и КОРСАР/ГП, выполненной в ОАО «ОКБ Гидропресс». После проведения верификации расчётные коды могут использоваться для моделирования процессов тепло- и массообмена при конденсации пара и парогазовой смеси в трубчатке натурного парогенератора реактора ВВЭР и обоснования его работоспособности при ЗПА.

Автор защищает;

- результаты экспериментального исследования работы модели парогенератора ВВЭР в нештатном конденсационном режиме на крупномасштабном стенде;

- выявленные характеристики конденсационного режима работы многорядного горизонтального парогенератора при подаче пара и парогазовой смеси;

- результаты экспериментов, проведённых методом стационарных состояний и предназначенных для верификации расчётных кодов.

Апробация работы:

Основные результаты диссертации докладывались соискателем на следующих конференциях:

- XII международная научно-инновационная конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов «Полярное сияние», Санкт-Петербург, 2009 г.;

- XI научно-техническая конференция молодых специалистов, ОКБ «Гидропресс», Подольск, 2009 г.;

- X, XI, XII научные школы молодых учёных ИБРАЭ РАН, Москва, 2009, 2010, 2011 гг.;

-Молодёжная научно-техническая конференция «Эксперимент-2010», ОАО «ОКБМ Африкантов», Нижний Новгород, 2010 г.;

-XI международная конференция «Безопасность АЭС и подготовка кадров», Обнинск, 2009 г.;

- Пятая Российская национальная конференция по теплообмену, Москва, 2010 г.;

- Международный молодёжный научный форум «Ядерное будущее», Голицыне, 2011 г.

Всего по теме диссертации было опубликовано 17 работ, включая две статьи в журнале, входящем в перечень ВАК.

Достоверность полученных результатов обеспечивается воспроизводимостью результатов экспериментов, а также использованием на крупномасштабном стенде ГЕ2М-ПГ современных методик исследований и аттестованных средств измерений.

Личный вклад автора в получении результатов, изложенных в диссертации, заключается в том, что он, как исполнитель, принимал непосредственное участие в наладке экспериментального стенда ГЕ2М-ПГ, разрабатывал методики исследований, участвовал в проведении экспериментов, а также обрабатывал и анализировал результаты опытов.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованных источников из 42 наименований. Работа представлена на 137 страницах и содержит 86 рисунков и 17 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации», Калякин, Дмитрий Сергеевич

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 5

Для моделирования процессов, происходящих в активной зоне в случае аварии, используются расчетные коды ТЕЧЬ-М и КОРСАР/ГП. Неопределенность в способности этих кодов моделировать физические процессы в реакторной установке при низких тепловых потоках обуславливает необходимость их верификации. Для этого на экспериментальной установке в ГНЦ РФ-ФЭИ были проведены экспериментальные исследования. Данные, полученные в ходе опытов, подтвердили способность этих кодов моделировать процессы тепло - и массообмена при конденсации пара и парогазовой смеси в трубчатке парогенератора реактора ВВЭР.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На крупномасштабном стенде ГЕ2М-ПГ, созданном в ГНЦ РФ-ФЭИ, в период с 2008 по 2011 гг. проведены эксперименты, целью которых было получение характеристик конденсационного режима работы модели парогенератора реактора ВВЭР-1200.

Опыты проводились в два этапа. В рамках исследований первого этапа проводились эксперименты для получения зависимости конденсационной мощности ПГ от давления второго контура. Также были проведены эксперименты с подачей в первый контур неконденсирующихся газов, и опыты для обоснования достаточности расхода проектной сдувки.

Кроме того, были выявлены основные особенности и характеристики работы ПГ в режиме конденсации пара. К их числу относятся:

- наличие процессов естественной циркуляции в обоих контурах;

- низкие перепады температур между средами первого и второго контуров;

- низкие значения удельного теплового потока 1000 Вт/м );

- наличие неконденсирующихся газов в трубчатке парогенератора.

Исследования в рамках второго этапа проводились методом стационарных состояний и были выполнены на основании расчетных данных для аварийных процессов длительностью 24 и 72 часа. Целью этих опытов было получение данных для верификации расчетных кодов ТЕЧЬ-М и КОРСАР/ГП для обоснования возможности их использования для моделирования процессов в парогенераторе при низких тепловых потоках.

Таким образом, результаты проведенной работы заключаются в следующем:

1. Была разработана методика двухэтапных исследований работы модели парогенератора реактора ВВЭР в конденсационном режиме на крупномасштабном стенде.

2. Эксперименты на «чистом» паре показали, что ~ 90 % конденсата, образующегося в трубчатке модели парогенератора, стекает в «холодный» коллектор, то есть, применительно к реальной АЭС, в активную зону реактора.

3. Эксперименты с наличием неконденсирующихся газов в паре первого контура позволили определить характеристики процессов отравления парогенератора и ус

4. Опыты с оттоком газов показали, что отвод парогазовой смеси с расходом, соответствующим расходной характеристики системы ГЕ-2, позволяет сохранить необходимую конденсационную мощность ПГ, достаточную для поддержания эффективного теплоотвода от реакторной установки.

5. Эксперименты, проведенные методом стационарных состояний, позволили получить характеристики ПГ, работающего в конденсационном режиме в условиях суточного и трёхсуточного аварийных процессов.

6. Результаты экспериментов, как первого, так и второго этапов, были использованы для верификации расчетных кодов ТЕЧЬ-М и КОРСАР/ГП. После проведения верификации расчетные коды могут использоваться для моделирования процессов тепло - и массообмена при конденсации пара и парогазовой смеси в трубчатке парогенератора реактора ВВЭР и обоснования его работоспособности при запроектной аварии.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Калякин, Дмитрий Сергеевич, 2012 год

1. Беркович В.М., Морозов В.Б., Швыряев Ю.В. Системы безопасности ВВЭР В-392 // Труды 2-й Всероссийской научно-технической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР». Подольск, 2001.

2. Морозов A.B. Исследование процессов теплообмена в обоснование работоспособности системы пассивного залива активной зоны реактора ВВЭР из гидроёмкостей второй ступени // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Обнинск, 2004.

3. Беркович В.М., Малышев А.Б., Таранов Г.С., Мальцев М.Б. Влияние пассивных систем АЭС нового поколения на обеспечение локализующих функций контейнмента // Сборник трудов АЭП. Выпуск 3, 2002. - С. 3-14.

4. Беркович В.М., Копытов И.И., Таранов Г.С. и др. Особенности проекта АЭС нового поколения с реактором ВВЭР-1000 повышенной безопасности // Теплоэнергетика. 2005. - № 1. - С. 9-15.

5. Крушельницкий В.Н., Беркович В.М., Швыряев Ю.В. и др. Оптимизация проектных решений по безопасности и экономике для энергоблоков АЭС с реактором ВВЭР нового поколения // Сборник трудов АЭП. Выпуск 2. 2001. - С. 18-28.

6. Кириллов П.JI., Богословская Г.П. Тепломассообмен в ядерных энергетических установках. М., Энергоатомиздат, 2000, 456 с.

7. Уонг X. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров: Справочник / Пер. с англ. М.: Атомиздат, 1979. - 216 с.

8. Masaya Kondo et al. Confirmation of Effectiveness of Horizontal Heat Exchanger for PCCS / Proceedings of ICONE13 International Conference on Nuclear Engineering. ICONE13-50691 (2005).

9. Tiejun Wu, Karen Vierow Local heat transfer measurements of steam/air mixtures in horizontal condenser tubes // International Journal of Heat and Mass Transfer 49(2006) 2491-2501.

10. A. Schaffrath, A.-K. Krüssenberg, A. Fjodorow, U. Gocht, W. Lischke Modeling of condensation in horizontal tubes // Nuclear Engineering and Design 204 (2001) 251-265.

11. S. Alt, A. Fjodorov, W. Lischke Steam condensation processes in horizontal tubes with presence of noncondensing gases / Proceedings of ICONE5: 5th International Conference on Nuclear Engineering. May 26-30, 1997, Nice, France.

12. S. Krishnaswamy, H.S. Wang, J.W. Rose Condensation from gas-vapour mixtures in small non-circular tubes // International Journal of Heat and Mass Transfer 49 (2006)1731-1737.

13. Морозов А.В., Калякин Д.С. Проведение экспериментов по исследованию влияния неконденсирующихся газов на работу парогенератора реактора ВВЭР в конденсационном режиме / Сборник трудов 10 научной школы молодых учёных ИБРАЭ РАН. Москва, 2009. - С. 134-139.

14. Морозов A.B., Ремизов О.В. Экспериментальное исследование работы модели парогенератора ВВЭР в конденсационном режиме // Теплоэнергетика. 2012. - №5. - С. 16-21.

15. Морозов A.B., Калякин Д.С. Исследование конденсационного режима работы модели парогенератора ВВЭР при низких концентрациях неконденсирующихся газов в парогазовой смеси // Сборник трудов 12 научной школы молодых учёных ИБРАЭ РАН, Москва, 2011. С. 85-88.

16. Морозов A.B., Калякин Д.С. Влияние работы пассивных систем безопасности на конденсационную мощность парогенератора реактора ВВЭР / Сборник трудов 11 научной школы молодых учёных ИБРАЭ РАН. Москва, 2010. - С. 80-83.

17. Андреевский З.Л., Боришанский В.М. и др. / Труды ЦКТИ. Вып. 108, 1971.

18. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1973.2005 г.1. С. 106.